Хотя это может произвести впечатление, стекло совсем не твердое. Обычно, когда материал переходит из жидкого в твердое состояние, молекулы выстраиваются в линию, образуя кристаллический узор. В стекле такого не бывает.
Вместо этого молекулы фактически замораживаются на месте до того, как произойдет кристаллизация. Это странное и беспорядочное состояние характерно для очков в разных системах, и ученые все еще пытаются понять, как именно формируется это метастабильное состояние.
Новое состояние вещества: жидкое стекло
Исследования под руководством профессоров Андреаса Зумбуша (кафедра химии) и Матиаса Фукса (кафедра физики), базирующихся в Университете Констанца, только что добавили еще один уровень сложности к стеклянной головоломке.
Используя модельную систему, включающую суспензии специально изготовленных эллипсоидных коллоидов, исследователи обнаружили новое состояние вещества, жидкое стекло, при котором отдельные частицы могут двигаться, но не могут вращаться – сложное поведение, которое ранее не наблюдалось в объемных стеклах. Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Коллоидные суспензии – это смеси или жидкости, содержащие твердые частицы размером в микрометр (одну миллионную метра) или более, которые больше, чем атомы или молекулы, и поэтому хорошо подходят для исследования с помощью оптической микроскопии. Они популярны среди ученых, изучающих стеклование, потому что они обладают многими явлениями, которые также происходят в других стеклообразующих материалах.
Эллипсоидные коллоиды на заказ
На сегодняшний день большинство экспериментов с коллоидными суспензиями основано на сферических коллоидах.
Однако большинство природных и технических систем состоит из частиц несферической формы. Используя химию полимеров, команда под руководством Андреаса Цумбуша произвела небольшие пластиковые частицы, растягивая и охлаждая их, пока они не достигли своей эллипсоидной формы, а затем поместила их в подходящий растворитель. «Из-за их различных форм наши частицы имеют ориентацию – в отличие от сферических частиц – что порождает совершенно новые и ранее неизученные виды сложного поведения», – объясняет Зумбуш, профессор физической химии и старший автор исследования.
Затем исследователи изменили концентрацию частиц в суспензиях и отслеживали поступательное и вращательное движение частиц с помощью конфокальной микроскопии. Зумбуш продолжает: «При определенных плотностях частиц ориентационное движение застыло, в то время как поступательное движение сохранялось, что приводило к стекловидным состояниям, в которых частицы группировались, образуя локальные структуры с аналогичной ориентацией."То, что исследователи назвали жидким стеклом, является результатом того, что эти кластеры взаимно препятствуют друг другу и опосредуют характерные дальнодействующие пространственные корреляции.
Они предотвращают образование жидкого кристалла, который был бы глобально упорядоченным состоянием вещества, ожидаемым от термодинамики.
Два конкурирующих стеклования
На самом деле исследователи наблюдали два конкурирующих стеклования – регулярное фазовое превращение и неравновесное фазовое превращение – взаимодействующих друг с другом. «Это невероятно интересно с теоретической точки зрения», – комментирует Маттиас Фукс, профессор теории мягкого конденсированного состояния в Университете Констанца и другой старший автор статьи. "Наши эксперименты предоставляют своего рода свидетельство взаимодействия между критическими флуктуациями и застывшим стеклом, которое научное сообщество добивалось в течение довольно долгого времени."Предсказание жидкого стекла оставалось теоретической гипотезой в течение двадцати лет.
Результаты также предполагают, что аналогичная динамика может работать в других стеклообразующих системах и, таким образом, может помочь пролить свет на поведение сложных систем и молекул, начиная от очень маленьких (биологических) до очень больших (космологических). Это также потенциально влияет на разработку жидкокристаллических устройств.
Исследование было инициировано в рамках Центра совместных исследований (CRC) 1214 Университета Констанца «Анизотропные частицы как строительные блоки: изменение формы, взаимодействия и структур», который финансировался Немецким исследовательским фондом (DFG) с 2016 по 2020 годы.
Факты:
Группа химиков и физиков из Университета Констанца открыла новое состояние вещества – жидкое стекло с ранее неизвестными структурными элементами.
Исследования, проведенные профессором Андреасом Цумбушем (кафедра химии) и профессором Маттиасом Фуксом (кафедра физики), позволяют по-новому взглянуть на еще не решенную проблему стеклования.
Эксперименты с эллипсоидными коллоидами показывают, что жидкое стекло образуется, потому что частицы могут двигаться, но не могут вращаться, что приводит к локальным скоплениям частиц, которые препятствуют друг другу и, таким образом, препятствуют формированию упорядоченного состояния вещества.
Исследование было инициировано в рамках Центра совместных исследований (CRC) 1214 Университета Констанца «Анизотропные частицы как строительные блоки: изменение формы, взаимодействия и структур», который финансировался Немецким исследовательским фондом (DFG) с 2016 по 2020 годы.